Dans cette partie nous passons en revue des projets en cours qui permettent d’aborder d’une part les problèmes de datation de la géomorphologie par les isotopes cosmogéniques et d’autre part les problèmes de vitesse de déformation tectonique.
A part le chantier des Vosges où l’objectif est d’apporter des contraintes chronologiques à l’évolution d’un profil de sol dans un contexte tectonique plutôt stable (ou à déformation lente), l’ensemble des chantiers concernent la détermination du mouvement sur des failles actives qui déforment la morphologie Quaternaire.
Profils pédologiques dans les Vosges
Le projet des Vosges a pour objectif de mesurer conjointement les concentrations des isotopes des séries de l’Uranium et des isotopes cosmogéniques sur des profils de sols dans le bassin versant du Strengbach (Observatoire Hydro-Géologique de l’Environnement) afin d’apporter des contraintes sur la chronologie de formation des sols et des processus d’altération. Ce projet se fait dans le cadre d’une thèse (J. Ackerer, dir. F. Chabaux). Des résultats préliminaires de 10Be et 26Al sont encourageants. Ils devraient non seulement apporter une information pertinente sur les vitesses d’érosion du socle granitique sur le dernier cycle glaciaire, mais également, nous permettre de mieux contraindre nos analyses de 26Al dont la détermination est moins robuste que pour le 10Be.
Grands séismes et chevauchements dans la syntaxe Est-Himalayenne
Le projet sur la syntaxe Est-Himalayenne, un projet de l’Earth Observatory of Singapore auquel nous collaborons a pour objectif, entre autres, de préciser la source des grands séismes intra-continentaux de l’Assam (M 8.6, 1950) et de Shillong (M 8.3, 1897), mais aussi de déterminer la vitesse de mouvement sur divers chevauchements. Celui de l’Himalaya en Assam d’une part, des failles inverses au sud du plateau de Shillong, mais aussi des chaînes Indo-Birmanes au Bangladesh. Des résultats de datations de surface, préliminaires, sont en cours de validation par des mesures de la concentration en 10Be dans des profils de sub-surface et des datations au 14C. Ce travail fait également l’objet d’une thèse en coopération avec le Geological Survey of Bangladesh (A. Ahsan, dir. C. Dorbath).
Raccourcissement au nord du Tibet
durant ma thèse et mon post-doc durant lesquels les datations de surface des cônes alluviaux faillés et déformés par les chevauchements actifs n’avaient pas abouti. En collaboration avec la China Earthquake Administration et un étudiant en thèse à Beijing (Y. Shao, dir. Liu-Zheng Jing), ces datations sont complétées par des datations en sub-surface le long de profils dans les différentes terrasses. Trois profils dans des terrasses d’âges différent devraient nous permettre de préciser la concentration en 10Be hérité, son éventuelle évolution au cours du temps, et donc l’évolution des bassins versants au cours du dernier cycle glaciaire.
Les autres projets concernent la détermination de la vitesse de mouvement de divers décrochements.
Faille de San Andreas – segment de Banning (USA)
En collaboration avec A.S. Mériaux (U. Newcastle) nous cherchons à déterminer la vitesse de mouvement de la faille de Banning, l’une des branches majeures de la faille de San Andreas situé entre à l’ouest le relais compressif de San Gorgonio et à l’est le segment de Indio (voir ci-dessus ; van der Woerd et al., 2006). La manière dont la faille de San Andreas traverse le relais compressif d’une part et d’autre part, comment le mouvement dextre se réparti sur les diverses branches de la faille de San Andreas à l’est de Los Angeles (failles de Mission Creek, Banning, San Jacinto) restent mal déterminés. Un ensemble de terrasses décalées de plusieurs dizaines de mètres à 1.5 km ont été ciblés pour des datations aux isotopes cosmogéniques. Des datations de surfaces sont complémentés par 9 profils verticaux de 1.5 à 3m de profondeur pour des datations en sub-surface qui permettront d’aborder les questions d’héritage et d’érosion à l’échelle du bassin versant.
Décrochement dextre de Fuyun (Chine)
Nous travaillons depuis plusieurs années à la détermination de la vitesse de mouvement dextre sur le décrochement de Fuyun. Lieu du séisme de magnitude 8 le 11 août 1931, cette faille dextre accommode le déplacement vers le nord de la Dzungarie.
Figure 46. Vue en hauteur de la faille de Fuyun et en particulier de l’escarpement de la rupture du séisme de magnitude
8 de 1931. L’ensemble du drainage, sub-perpendiculaire à la direction de la faille est décalé par les derniers séismes qui ont rompu la faille.
Cette région est relativement aride et a permis une bonne conservation des traces de rupture de ce séisme, mais conserve également les formations quaternaires décalées par la faille. Des acquisitions de modèles numériques de terrain de haute précision avec un Lidar terrestre nous permettent de bénéficier d’une cartographie précise des différents sites étudiés. Un travail sur l’amplitude de décalages cosismiques du dernier séisme et des décalages cumulés de la géomorphologie conclut à la répétition de au moins 6 séismes avec un déplacement co-sismique moyen semblable de 6 m. Afin de déterminer la récurrence de ces séismes nous avons effectué à la fois des tranchées paléosismologiques et des datations des surfaces décalées par la faille. Les datations en cours dans les fosses et tranchées avec un échantillonnage multiple à la fois en méthode (14C) et en type d’échantillons (blocs, matrices, amalgames) de surface et de sub-surface vont nous permettre de préciser l’âges des périodes principales d’alluvionnement et d’abandon des cônes d’alluvions. Ces âges permettront de préciser l’âge des décalages cumulés le long de la faille et donc sa vitesse long-terme.
En parallèle, afin de mieux appréhender le facteur « érosion » pour les datations par isotopes cosmogéniques, un travail de synthèse est effectué sur l’ensemble des datations qui ont été faites dans la région Altaï-Mongolie. L’érosion est le plus souvent un paramètre libre des modèles d’inversion des profils de sub-surface ce qui conduit à des déterminations de taux d’érosion très variés au travers d’une région aux variations climatiques semblables, et donc à des âges de la géomorphologie très variés. Une harmonisation de ces taux d’érosion devrait permettre de mieux comprendre les phases majeurs d’alluvionnement et d’incision en rapport avec des variations climatiques régionales ou globales (e.g., van der Woerd et al., 2002b ; Hetzel, 2013).
Figure 47. Exemple de modèle numérique de terrain Lidar levé sur le terrain le long de la faille de Fuyun. En bas,
interprétation du modèle et mise en évidence des décalages co-sismiques et cumulés des chenaux incisés sur des cônes alluviaux. Les points rouges sont les sites d’échantillonnage de surface et sub-surface sur les différents cônes.
Vitesses des décrochements du Kunlun et de l’Altyn Tagh
Contrairement à d’autres grandes failles du Tibet (Altyn Tagh, Karakorum), la faille du Kunlun est dans un cycle d’activité sismique depuis un siècle et comme d’autres failles ailleurs dans le monde (San Andreas, Nord-Anatolienne), cette activité sismique contribue à mieux comprendre son fonctionnement. La faille du Kunlun s’étend sur plus de 1500 km. On peut distinguer 8 segments de plusieurs centaines de kilomètres de long sur la base de leur géométrie à grande échelle. Cette segmentation géométrique et en partie structurale (relais en pull-apart ou en push-up, chevauchement de segments, etc…) ne correspond pas forcément à la segmentation sismique comme l’a montré le dernier séisme de Mw=7.9 de Kokoxili dont la rupture de 435 km de long initié dans un relais extensif s’est propagé le long de deux segments (Tocheport et al., 2006).
Figure 48. a) Distribution des vitesses moyennes géologiques déterminées le long de la faille du Kunlun (en rouge,
résultats issus de nos travaux). b) Segmentation à grande échelle de la faille du Kunlun et localisation des grandes ruptures depuis 1937. c) Carte sismo-tectonique simplifié de la faille du Kunlun au nord Tibet.
der Woerd et al., 1998, 2000, 2002, 2007 ; Li et al., 2005 ; Kirby et al., 2007 ; Harkins and Kirby, 2008 ; Lin and Guo, 2008 ; Ren et al., 2013). Un résultat que nous avons mis en évidence est la constance de la vitesse moyenne obtenue autour de 10-12 mm/an sur des sites distants de plus de 800 km (van der Woerd et al., 2002, 2007 ; Li et al., 2005 ; Kirby et al., 2007) pour une période de temps essentiellement Holocène (12 ka) et possiblement jusqu’à 40 ka (Figure 48).
La faille du Kunlun est citée comme un exemple où les vitesses géodésiques GPS s’accordent avec les vitesses géologiques. Les mesures GPS accumulées maintenant depuis les années 1991 sur le plateau du Tibet ont permis d’estimer la vitesse géodésique de la faille du Kunlun (Wang et al., 2001 ; Zhang et al., 2004), essentiellement sur sa partie Est, mais c’est aussi là où les données géologiques sont les plus nombreuses. En réalité, le champ de déplacement GPS s’accorde avec les données géologiques à condition de prendre des stations GPS à plus de 150 km de la faille, ceci impliquant de faire abstraction de failles certes moins importantes au Nord et au Sud. Si l’on se place à une distance de 50 km de part et d’autre (distance à laquelle la vitesse n’est plus influencée par la proximité de la faille dans un modèle de type Savage and Burford (1973)) alors la vitesse ne serait plus que de ~6 mm/an. Cette vitesse est proche de celle obtenue par les modèles de déformation avec de nombreux blocs rigides (Thatcher et al., 2007 ; Meade, 2007 ).
La documentation du comportement sismique de ce décrochement à la fois au long-terme et au court-terme est à poursuivre. La partie centrale du décrochement plus difficilement accessible est aussi celle qui est la moins bien documentée pourrait être l’objectif de missions de terrain futur. Une question importante qui nécessite plus de documentation de terrain est celle relative à la manière dont les séismes majeurs se sont répétés sur cette faille et si ils ont eut toujours la même extension latérale.
Le décrochement sénestre de l’Altyn Tagh
De manière paradoxale, la faille de l’Altyn Tagh, sans doute le système décrochant le plus imposant de la collision Inde-Asie par son extension (>2000 km) et son expression structurale et géomorphologique, n’a pas été le lieu de grands séismes depuis plus d’un siècle, si l’on exclut le séisme de Changma de 1931, de magnitude M=7.5 qui a eu lieu sur une branche chevaucho-décrochante à son extrémité Est (Peltzer et al., 1988 ; Meyer, 1991), et le séisme dont on peut voir les traces le long du segment de la Karakax de magnitude probable 7.5 (datant de 1879 ?) (Li et al., 2008, 2012). Les séismes récents du Kunlun occidental (séisme de Pingding, Mw=7.1 20/03/2008 et de Ashikule Mw6.9 12/02/2014) ont eu lieu sur des branches à la jonction entre la faille de l’Altyn Tagh et le système de Gozha ; seraient-il le signe du retour d’une activité sismique le long du
En 20 ans, nous avons étudié environ 20 sites répartis le long de ce décrochement, depuis le segment de la Karakax à l’ouest jusqu’à son extrémité Est au front des Qilian Shan (Figure 49). Pour chacun des sites, ce sont souvent plusieurs décalages qui ont été datés, ce qui fait un total d’environ 50 vitesses déterminées de manière indépendante. D’Ouest en Est, la vitesse passe de environ 5 mm/an, à 15-20 mm/an, à 25 mm/an, à 17 mm/an, à 20 mm/an, à 15 mm/an, à 5 mm/an (Li et al., 2012 ; Mériaux et al., 2005, 2004, 2012; van der Woerd et al., 2001 ; van der Woerd, 1998 ; Meyer et al., 1996 ; Xu et al., 2001).
La vitesse de l’Altyn Tagh issue de mesures géodésiques GPS le long de 2 transects à 85°E et 90°E sur la période 1994-2011 semble converger vers 9 ± 4 mm/an (Bendick et al., 2000 ; Wallace et al., 2004; He et al., 2013). Cette vitesse est confirmée par des modèles de blocs contraints par les mêmes données (Loveless and Meade, 2011). Les résultats d’interférométrie InSAR donnent des résultats plus contrastés. A l’Ouest (79°E), les données très bruitées au travers du Kunlun occidental indiqueraient une vitesse de 0 ± 3 mm/an sur le segment de la Karakax (Wright et al., 2004). A 85°E, un profil InSAR également affecté par des problèmes d’épaisseur troposphérique à travers la marge du plateau du Tibet permet d’estimer la vitesse de mouvement sénestre à 11±5 mm/an (Elliott et al., 2008) sur l’. Enfin, à 94°E, la vitesse est estimée à 9±1 mm/an le long d’une des branches de la faille (Jolivet et al., 2009).
La différence entre les vitesses géodésique de 4 à 16 mm/an et géologique de 9 à 27 mm/an déterminées sur des périodes de temps pluri-millénaires a conduit à poser la question du comportement sismique cyclique ou non de la faille, de la possibilité de phases rapides suivies de phases plus lentes, ou de l’influence du cycle sismique sur les vitesses géodésiques. A ce stade, les incertitudes sur les déterminations des vitesses géologiques et géodésiques, ne permettent pas de conclure sur la concordance entre les vitesses géodésiques et géologiques (Figure 2). A ces incertitudes sur la vitesse en un site donné, il faut également ajouter la variation de la vitesse le long de la structure elle-même. En effet, le branchement de chevauchements actifs sur la faille permet de penser que la vitesse décroît d’ouest en est (Figure 49). Ces variations structurelles de la vitesse sont sans doute largement comprises dans les incertitudes des déterminations des vitesses géologiques et géodésiques.
Figure 49. Ensemble des vitesses déterminées le long du décrochement de l’Altyn Tagh par des méthodes géologiques
(vert et rouge) et géodésiques GPS ou InSAR (bleu). En jaune : variation probable de la vitesse des différents segments en rapport avec les jonctions et bifurcations.
Il est donc nécessaire de mieux documenter en des sites choisis la vitesse et de préférence avec des datations croisés multi-méthodes. Des travaux sont en cours dans la partie occidentale de la faille (84-85°E) encore peu documentée du point de vue géologique. Deux sites nouveaux ont fait l’objet d’une mission de terrain en 2012 en associant plusieurs méthodes de datation de la géomorphologie (10Be, 14C et OSL) à des levés topographiques de précision des décalages sénestres des terrasses. Enfin, nous avons entrepris de reprendre une à une les données géologiques publiées afin d’homogénéiser les approches et interprétations, et de pouvoir donner une appréciation sur la qualité de la détermination de la vitesse. La figure 50 illustre une approche possible par un exemple de réinterprétation où on essaie de redéfinir des bornes minimales ou maximales de la vitesse selon
différents critères, avec l’objectif d’analyser les données spatialement et temporellement, plutôt que de tout moyenner. Ce travail préliminaire fait apparaître des variations importantes de la vitesse et met mieux en évidence celles qui sont des bornes inférieures ou supérieures. La période de temps impliquée inférieure à 10 ka ou inférieure à 6 ka pour de nombreux décalages reste sans doute trop courte pour moyenner correctement la vitesse.
Figure 50. Tentative de réinterprétation des données de décalages géomorphologiques et de datations en 4 sites le long
de la faille de l’Altyn Tagh. En haut, bornes et variations des vitesses selon les marqueurs à chacun des sites. En bas, même données représentées en fonction de l’âge du marqueur. On notera qu’à ces sites seuls des morphologies Holocène sont concernées.
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